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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkunststoff-Hohlprofils gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Ein solches Verfahren zur Herstellung eines Faserverbundkunststoff-Hohlprofils (FVK-Hohlprofils) ist beispielsweise bereits aus der
DE 10 2011 018 420 A1 als bekannt zu entnehmen. Bei diesem Verfahren wird wenigstens ein Faserelement, insbesondere ein Roving, auf ein Stützelement geflochten. Als Stützelement wird in der
DE 10 2011 018 420 A1 ein Flechtdorn verwendet, von welchem das Faserelement nach dem Flechten abgezogen wird. Insgesamt wird dabei das FVK-Hohlprofil mittels Flechtpultrusion hergestellt, bei welcher als Ausgangsmaterial, das heißt als das Faserelement, wenigstens ein Hybrid-Roving eingesetzt wird. Dieses umfasst thermoplastische Fasern und wird über den starren Flechtdorn zu einem Hohlprofil geflochten, welches dann in ein Pultrusionswerkzeug eingezogen wird. In diesem Pultrusionswerkzeug werden auf einer Heizstrecke die thermoplastischen Fasern aufgeschmolzen, wobei das FVK-Hohlprofil dann auf einer sich anschließenden Kühlstrecke konsolidiert wird.
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Für eine großserientechnische Anwendung ist dieses Verfahren aufgrund des aufwendigen Flecht- beziehungsweise Spinnprozesses von Hybridgarn und die eher geringe Benetzung der Verstärkungsfasern bei hohem Verstärkungsfasergehalt infolge der hohen Viskosität des Matrixwerkstoffes, insbesondere in Form eines Thermoplast, relativ kostenintensiv und erbringt ein Hohlprofil mit nur inhomogenen Festigkeitseigenschaften.
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Darüber hinaus ist es bekannt, metallische Hohlprofile mittels eines Innenhochdruck-Umformprozesses (IHU) umzuformen. Der Innenhochdruck-Umformprozess von metallischen Hohlprofilen erfordert – in Abhängigkeit von der Festigkeit und der Materialwandstärke des umzuformenden Profils – einen sehr hohen Innendruck von beispielsweise bis zu 1000 Bar, um die Streckgrenze des metallischen Werkstoffes zu erreichen und anschließend durch plastische Dehnung eine dauerhafte Umformung zu erzielen. Die Erzeugung, die Beaufschlagung und der Abbau dieses hohen Innendrucks in kurzen Zykluszeiten gelten als technische Herausforderungen an Sicherheits-, Dichtungs- und Handhabungstechnik. Ebenso ist die Erzeugung eines hohen Drucks energetisch aufwendig.
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Ferner ist es bekannt, Trägerelemente, insbesondere aus einem metallischen Werkstoff, mit einem Kunststoff zu versehen. Dabei wird das jeweilige Trägerelement beispielsweise mit dem Kunststoff angespritzt und/oder zumindest teilweise umspritzt. Dies erfolgt beispielsweise in einem Spritzgießverfahren beziehungsweise einem Montagespritzguss. Das Trägerelement ist somit ein Montageträger, an den wenigstens ein Anbauteil angebracht wird, wobei das Anbauteil aus dem Kunststoff hergestellt wird. Ein solches Anbauteil wird auch als Anbaukörper bezeichnet. Um im Montagespritzguss derartige Anbaukörper auf insbesondere metallische Profile aufzuspritzen, kommt beispielsweise ein Kavitätenwerkzeug zum Einsatz, das den Bereich des eingespritzten Kunststoffes zum metallischen Profil prozesssicher abdichten muss. Bei insbesondere angussfernen Spritzdrücken von bis zu 600 bar dürfen Dichtspalte nicht größer als circa 0,2 Millimeter ausfallen. Eine Abdichtung mit Spritzgusswerkzeug durch elastische oder plastische Verformung des beispielsweise als Rohr ausgebildeten, metallischen Trägerelements ist aufgrund der hohen Steifigkeit des Metallwerkstoffes nur unter hohem Kraftaufwand möglich. Somit dürfen die Toleranzen des zu umspritzenden metallischen Rohres beziehungsweise Trägerelements nur sehr gering sein. Um auch im Dauerbetrieb eine funktionssichere Haftung des aufgespritzten Kunststoffes auf das metallische Rohr zu erzielen, muss die metallische Oberfläche gesäubert, insbesondere fettfrei, physikalisch vorbehandelt und/oder mit einem chemischen Haftvermittler ausgerüstet sein. Haftvermittler müssen gegen Feuchteeinfluss abgeschirmt werden, somit sind sie nach der Auftragung auch vor Luftfeuchte zu schützen. Ebenso ist die Schichtstärke des aufgetragenen Haftvermittlers genau einzuhalten. Die Vorbereitung eines metallischen Profils zur Erzielung eines verlässlichen Haftverbundes im Montagespritzguss erfordert somit einen hohen Aufwand unter hoher Prozessgüte.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, mit einem verringerten Aufwand ein Faserverbundkunststoff-Hohlprofil herzustellen, das homogene Festigkeitseigenschaften aufweist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um mit verringertem Aufwand ein Faserverbundkunststoff-Hohlprofil (FVK-Hohlprofil) herzustellen, das zumindest im Wesentlichen homogene Festigkeitseigenschaften aufweist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass als das Stützelement ein aus einem Kunststoff gebildetes Hohlprofilhalbzeug verwendet wird. Das Holprofilhalbzeug wird zusammen mit dem auf das Hohlprofilhalbzeug geflochtenen Faserelement einem Pultrusionswerkzeug, insbesondere einem In-Situ-Pultrusionswerkzeug, zugeführt, mittels welchem das auf das Hohlprofilhalbzeug geflochtene Faserelement mit einem Monomer-Gemisch imprägniert und unter Polymerisation des Monomer-Gemisches konsolidiert wird. Mit anderen Worten ist es erfindungsgemäß vorgesehen, das Faserelement, welches beispielsweise ein Roving, insbesondere ein Verstärkungsfaser-Roving, ist, auf das Hohlprofilhalbzeug zu flechten und in einem In-Situ-Pultrusionswerkzeug mittels Zugabe eines Monomer-Gemisches zu imprägnieren, polymerisieren und konsolidieren. Durch das Aufflechten des Faserelements auf das Hohlprofilhalbzeug wird beispielsweise ein Fasergeflecht, insbesondere aus Verstärkungsfasern, gebildet. Dieses Fasergeflecht, insbesondere Verstärkungsfasergeflecht, kann dem Pultrusionswerkzeug besonders stabil zugeführt werden, da es auf das Hohlprofilhalbzeug geflochten ist.
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Aufgrund der niedrigen Viskosität des Monomer-Gemisches ist eine zumindest nahezu vollständige Benetzung des Faserelements, insbesondere von Verstärkungsfasern des Faserelements, gewährleistet, sodass sich nach der Polymerisation und Konsolidierung das FVK-Hohlprofil insbesondere in Form eines FVK-Rohres ausbildet, das zumindest nahezu völlig homogene Festigkeitseigenschaften besitzt. In diesem Zusammenhang verhindert das Hohlprofilhalbzeug, dass das Monomer-Gemisch in einen Hohlraum des Fasergeflechts eindringt, was beispielsweise dann geschehen kann, wenn das Fasergeflecht trägerfrei, das heißt ohne das Hohlprofilhalbzeug, zugeführt werden würde.
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Vorzugsweise ist das Faserelement ein Roving, das beispielsweise eine Mehrzahl von Fasern, insbesondere Verstärkungsfasern, umfasst. Durch die Polymerisation wird aus dem Monomer-Gemisch ein Polymer gebildet, in dem das Faserelement beziehungsweise dessen Verstärkungsfasern eingebettet sind. Der Polymer ist somit eine Matrix beziehungsweise ein Matrixwerkstoff für das Faserelement, welches mit dem Monomer-Gemisch in dessen noch nicht polymerisierten Zustand imprägniert wird. Die Polymerisation erfolgt erst in dem Pultrusionswerkzeug, sodass eine In-Situ-Pultrusion darstellbar ist.
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Vorzugsweise wird das Hohlprofilhalbzeug extrudiert, optional aus kurzfaserverstärktem Werkstoff. Vorzugsweise ist der Kunststoff des Hohlprofilhalbzeugs ein Thermoplast, sodass das Hohlprofilhalbzeug als thermoplastisches Hohlprofilhalbzeug ausgebildet ist.
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Ferner hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Extrudieren und das Flechten kontinuierlich gleichzeitig durchgeführt werden. Dies bedeutet, dass das Hohlprofilhalbzeug extrudiert und unmittelbar anschließend in einem kontinuierlichen Vorgang mit dem Faserelement beflochten wird. Mit anderen Worten ist es bevorzugt vorgesehen, die Extrusion in den Flechtpultrusionsprozess online zu integrieren, wobei das Hohlprofilhalbzeug als Endlosmaterial zugeführt wird.
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Als weiterhin besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn in dem Hohlprofilhalbzeug ein Kernelement angeordnet wird, mittels welchem das Hohlprofilhalbzeug beim Flechten und/oder beim Imprägnieren nach innen abgestützt wird. Hierdurch ist es möglich, das beispielsweise als Rohr ausgebildete Hohlprofilhalbzeug gegenüber dem Flechtdruck und gegenüber Durchbiegung im warmen Zustand abzustützen, insbesondere durch einen druckstabilen, stangenförmigen Kern, der sich bis hinter das Pultrusionswerkzeug erstreckt. Die Durchbiegung wird dabei durch die infolge von Forderungen nach Leichtbau vorgesehene dünne Wandstärke des Hohlprofilhalbzeugs begünstigt und mittels des Kernelements vermieden.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass durch das Kernelement ein Medium geleitet wird, mittels welchem das Hohlprofilhalbzeug gekühlt wird. Das Kernelement kann dabei eine Mehrzahl von Kanälen aufweisen, durch welche das Medium geleitet wird. Beispielsweise umfasst das Kernelement ein Stangengerüst, das mehrere Trennscheiben aufweist, die ein Kanalsystem begrenzen, über das ein unter Druck stehendes Medium, insbesondere Luftstrom, an die Halbzeuginnenseite gelangen kann. Aufgrund des Druckes wird das Halbzeug vom Kern leicht angehoben, sodass die Reibung daran in Förderrichtung minimiert oder gänzlich vermieden und das Halbzeug zur Stabilisierung abgekühlt wird.
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Das Kernelement wird vorzugsweise mittels eines generativen Verfahrens, beispielsweise eines 3-D-Druck-Prozesses, Lasercasing, etc. aufgrund der erhöhten Komplexität ausgebildet.
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Eine weitere Ausführungsform sieht vor, dass das Pultrusionswerkzeug wenigstens einen Injektionsbereich aufweist, in welchem das Faserelement mit dem Monomer-Gemisch imprägniert wird, wobei der Injektionsbereich während des Imprägnierens vibriert. Mit anderen Worten wird der Injektionsbereich unter Vibration gesetzt, wodurch das Fasergeflecht auf den geschaffenen Flecht-Preformling komprimiert wird. Dies führt zu einem prozesssicheren, staufreien Einzug in das Pultrusionswerkzeug und zu einer Steigerung der Bauteilqualität.
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Das Faserverbundkunststoff-Hohlprofil wird aus dem Faserelement beziehungsweise geflochtenen Faserelement und dem Hohlprofilhalbzeug hergestellt. Mit anderen Worten umfasst das FVK-Hohlprofil in seinem hergestellten Zustand das Fasergeflecht und das Hohlprofilhalbzeug, auf das das Faserelement geflochten ist.
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Das FVK-Hohlprofil und somit das Faserelement beziehungsweise Fasergeflecht und das Hohlprofilhalbzeug können nach dem Konsolidieren umgeformt und/oder mit einem Kunststoff versehen werden. Ferner ist es denkbar, das beispielsweise als FVK-Rohr ausgebildete FVK-Hohlprofil in Abhängigkeit von der Durchführung des Flechtprozesses mit unterschiedlichen Wandstärken, Profilgeometrien, partiellen radialen Aufdickungen und/oder Rippen auszubilden. Das beispielsweise als FVK-Rohr ausgebildete FVK-Hohlprofil kann in einem nachgeschalteten Umformverfahren, insbesondere Innenhochdruck-Umformverfahren, mit relativ geringen Überdrücken radial aufgeweitet und/oder mit unterschiedlichen Querschnitten versehen werden.
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Zur Bildung eines Kunststoff-Hybridbauteils kann ferner vorgesehen sein, das FVK-Hohlprofil nach dem Konsolidieren in ein Spritzgießwerkzeug einzulegen und mit Kunststoff bedarfsgerecht zu versehen, insbesondere zu umspritzen, wobei beispielsweise eine stoffschlüssige Anbindung des Kunststoffes an das konsolidierte FVK-Hohlprofil (FVK-Rohr) entsteht, da es beim Anspritzen des Kunststoffes lokal aufgeschmolzen wird und sich mit dem Kunststoff einstückig in Form einer Werkstoffvermischung oder chemischen Bindung verbindet. Dabei ist der Kunststoff vorzugsweise ein faserverstärkter, insbesondere kurzfaserverstärkter, Thermoplast. Vorzugsweise ist der Kunststoff aus der gleichen Materialfamilie wie das FVK-Hohlprofil beziehungsweise dessen Kunststoff, das heißt beispielsweise aus Polyamid (PA) beziehungsweise Polyphthalamide (PPA).
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Bei Anwendungen in Bereichen hoher bis höchsten Beanspruchungen, beispielsweise im Stoßfängerbereich als Energieabsorptionselement beziehungsweise Crashbox, ist es zur Verbesserung der Knicksteifigkeit ratsam, das FVK-Hohlprofil vor dem Versehen, das heißt Anspritzen und/oder Umspritzen mit dem Kunststoff mit Rippen und/oder einem Tape beziehungsweise einer Bandage lokal zu verstärken.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
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1 eine schematische und perspektivische Seitenansicht auf ein Hybrid-Bauteil in Form einer Crashbox, welche ein mit einem Kunststoff versehenes Faserverbundkunststoff-Hohlprofil umfasst;
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2 eine schematische Schnittansicht durch die Crashbox gemäß 1;
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3 eine schematische Seitenansicht auf eine In-Situ-Flechtpultrusionsanlage, mittels welcher das Faserverbundkunststoff-Hohlprofil hergestellt wird;
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4 ausschnittsweise eine weitere schematische und perspektivische Seitenansicht auf die Flechtpultrusionsanlage;
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5 eine schematische Querschnittsansicht durch ein Kernelement gemäß einer ersten Ausführungsform zum innenseitigen Abstützen eines Hohlprofilhalbzeugs bei der Herstellung des Faserverbundkunststoff-Hohlprofils;
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6a eine schematische Querschnittsansicht durch das Kernelement gemäß einer zweiten Ausführungsform;
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6b eine schematische Längsschnittansicht des Kernelements gemäß der zweiten Ausführungsform entlang einer in 6a gezeigten Schnittlinie A-A;
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7a eine schematische Querschnittsansicht einer Endkappe zum Abdichten des Inneren des Kernelements und des Hohlprofilhalbzeugs;
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7b eine schematische Längsschnittansicht durch das Kernelement entlang einer in 7a gezeigten Schnittlinie A-A;
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8 eine schematische und teilweise geschnittene Seitenansicht auf das als thermoplastisches Kernrohr ausgebildete Hohlprofilhalbzeug;
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9 eine schematische Seitenansicht auf eine Pultrusionslinie der In-Situ-Flechtpultrusionsanlage;
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10 ausschnittsweise eine weitere schematische Seitenansicht auf die Pultrusionslinie gemäß 9; und
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11 ausschnittsweise eine schematische Längsschnittansicht durch ein In-Situ-Pultrusionswerkzeug der Pultrusionslinie in einem Fasereinzugbereich.
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1 zeigt in einer schematischen und perspektivischen Seitenansicht ein Energieabsorptionselement für einen Kraftwagen, insbesondere Personenkraftwagen, wobei das Energieabsorptionselement auch als Crashbox bezeichnet wird. Im fertig hergestellten Zustand des Kraftwagens ist beispielsweise ein Biegequerträger über das Energieabsorptionselement an einen Längsträger des Kraftwagens angebunden. Bei einer unfallbedingten Kraftbeaufschlagung, insbesondere einer Frontalkollision, des Kraftwagens wird das Energieabsorptionselement verformt, wodurch Unfallenergie in Verformungsenergie umgewandelt wird.
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Üblicherweise werden im Automobilbau Montageträger wie zum Beispiel eine Crashbox aus unterschiedlichen Halbzeugen hergestellt. Eines dieser Halbzeuge ist beispielsweise ein metallisches Profil, welches beispielsweise aus Aluminium gebildet ist. Das metallische Profil kann dabei als Hohlprofil ausgebildet sein. Das metallische Profil übernimmt dabei eine Steifigkeitsfunktion und wird nach seiner individuellen Umformung mit wenigstens einem Anbauteil oder mehreren Anbauteilen bestückt. Diese Anbauteile bestehen zum Beispiel aus Kunststoff, mit welchem das metallische Profil versehen wird. Darunter ist zu verstehen, dass der Kunststoff beispielsweise an das metallische Profil angespritzt wird und/oder dass das metallische Profil mit dem Kunststoff umspritzt wird. Beispielsweise wird der Kunststoff auf das metallische Profil aufgespritzt. Alternativ oder zusätzlich bestehen die Anbauteile aus an- oder aufgeschraubten Körpern, insbesondere aus Aluminium. An diese Körper werden schließlich Funktionselemente wie zum Beispiel Streben, Scheinwerferaufnahmen, Motore, Instrumente etc. montiert. Die Körper führen üblicherweise zu hohem Zusatzgewicht und die Anschraubmontage zu hohen Fügekosten und hohem Energieverbrauch. Ferner sind metallische Profile, insbesondere Hohlprofile wie beispielsweise Rohre, nur sehr aufwendig zu bearbeiten und insbesondere umzuformen.
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Um diese Nachteile zu vermeiden, wird das beispielsweise als Rohr ausgebildete, metallische Profil durch ein hochfestes und hochsteifes Faserverbundkunststoff-Hohlprofil 10 ersetzt, welches auch als FVK-Hohlprofil bezeichnet wird. Aus 1 ist erkennbar, dass die in 1 gezeigte Crashbox ein solches Faserverbundkunststoff-Hohlprofil 10 umfasst, welches vorliegend als Rohr beziehungsweise rohrförmig ausgebildet ist. Wie im Folgenden noch erläutert wird, weist das FVK-Profil zur Realisierung einer hinreichenden Steifigkeit und Festigkeit eine Verstärkung aus Endlosfasern insbesondere in Kraftflussrichtung auf. Für diesen Einsatz sind pultrudierte Rohre mit einer unidirektionalen und/oder tangentialen Faserverstärkung prädestiniert.
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Ferner ist aus 1 erkennbar, dass die Crashbox ferner einen Kunststoff 12 umfasst, mit welchem das FVK-Profil (Faserverbundkunststoff-Hohlprofil 10) versehen ist. Beispielsweise wird das FVK-Profil im Rahmen eines Spritzgießverfahrens mit dem Kunststoff 12 versehen, wobei der Kunststoff 12 an das FVK-Profil angespritzt wird beziehungsweise das FVK-Profil zumindest teilweise mit dem Kunststoff 12 umspritzt wird. Vorzugsweise ist der Kunststoff 12 ein thermoplastischer Kunststoff, das heißt ein Thermoplast. Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn der Kunststoff 12 ein faserverstärkter, insbesondere kurzfaserverstärkter, Kunststoff ist. Das insgesamt als Faserverbundkunststoff-Rohr (FVK-Rohr) ausgebildete FVK-Hohlprofil zerberstet bei einem Aufprall, insbesondere bei einer Frontalkollision, und baut dabei Crashenergie ab, sodass in Fahrzeuglängsrichtung dahinterliegende Bauteile sowie die Insassen des Kraftwagens geschützt werden.
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Üblicherweise erfordert die Herstellung von FVK-Rohren auf Basis von Kunststoffgranulat viele Prozesse und ist energetisch aufwendig und teuer. Bei einer integrierten in-situ-Direkt-Polymerisation in Kombination mit einer Flechtpultrusion können jedoch Vorprodukte, insbesondere Monomere wie beispielsweise Caprolactam, kostengünstig eingekauft werden und es entfallen Prozessschritte, sodass Energie und Kosten eingespart werden können. Verbindet man jedoch den in-situ Prozess, das heißt beispielsweise eine in-situ-Pultrusion mit einem Flechtprozess beziehungsweise einer Flechtpultrusion, so kann es zu Problemen mit einem Einzug in ein beispielsweise als in-situ-Pultrusionswerkzeug ausgebildeten Pultrusionswerkzeug und der Maßhaltigkeit kommen. Um diese Probleme zu vermeiden, kommt ein im Folgenden erläutertes Verfahren zur Herstellung des FVK-Rohrprofil zum Einsatz, wobei dieses Verfahren mittels einer in 3 gezeigten und als in-situ-Flechtpultrusionsanlage ausgebildeten Anlage durchgeführt wird.
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Im Rahmen des Verfahrens wird wenigstens ein Faserelement auf ein Stützelement geflochten. Als das Stützelement wird dabei ein aus einem Kunststoff gebildetes Hohlprofilhalbzeug in Form eines Rohres 14 verwendet. Vorliegend werden Faserelemente in Form von Rovings 52 auf das Rohr 14 geflochten. Der Kunststoff des Rohres 14 (Hohlprofilhalbzeug) ist vorzugsweise ein faserverstärkter, insbesondere kurzfaserverstärkter, Kunststoff, wobei der Kunststoff des Rohres 14 vorzugsweise ein Thermoplast ist. Somit ist das Rohr 14 vorzugsweise ein thermoplastisches Rohr. Das vorliegend als kurzfaserverstärkte Kunststoffrohr ausgebildete Rohr 14 wird mittels einer Kernrohrextrusionsvorrichtung 16 extrudiert. Auf das Rohr 14 werden dann von Spulengattern 18 Faserelemente geflochten. Bei diesen Faserelementen handelt es sich vorliegend um Rovings 52, welche beispielsweise Glasfasern und/oder Carbonfasern und/oder Polymerfasern und/oder mineralische und/oder metallische Fasern umfassen. Beispielsweise werden die Endlosfasern auf das Rohr 14 axial abgezogen, sodass beispielsweise aus dem Rohr 14 und den auf das Rohr 14 geflochtenen Rovings 52 ein sogenannter Preformling hergestellt wird. Dabei kann zur Herstellung des Preformlings vorgesehen sein, dass das Rohr 14 und die auf das Rohr geflochtenen Rovings 52 zu dem Preformling umgeformt werden.
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Der Preformling kann dabei aus parallel liegenden Endlosfasern (Rovings 52) bestehen und durch einen vorgeschalteten Flechtprozess aus Fasern beziehungsweise Rovings 52 definierter Mesostruktur hergestellt werden. Beispielsweise liegen die Endlosfasern überkreuzt in einem definierten Winkel zur Haupt-Abzugsrichtung vor oder durch sogenanntes UD-Flechten werden im verbleibenden Hohlprofil bestimmte Lagenfasern als Umfangswicklung dargestellt. Das Rohr 14 ist besonders gut in 8 erkennbar.
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Die auf das Rohr 14 geflochtenen Rovings 52 werden zusammen mit dem Rohr 14 einem als in-situ-Pultrusionswerkzeug ausgebildeten Pultrusionswerkzeug 20 der in-situ-Flechtpultrusionsanlage zugeführt. Mittels des Pultrusionswerkzeugs 20 werden die auf das Rohr 14 geflochtenen Rovings 52 mit wenigstens einem Monomer-Gemisch imprägniert und unter Polymerisation des Monomer-Gemisches konsolidiert. Dies bedeutet, dass durch die Polymerisation aus dem Monomer-Gemisch ein Polymer, insbesondere ein Thermoplast, hergestellt wird. Dieses Polymer wirkt als Matrix beziehungsweise Matrixwerkstoff, in den die auf das Rohr 14 geflochtenen Rovings 52 eingebettet sind beziehungsweise werden.
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Aus 4 und 5 ist erkennbar, dass im Inneren des genannten Preformlings, das heißt im Inneren des Rohrs 14 ein Kernelement 22 angeordnet wird, mittels welchem das Rohr 14 beim Flechten und/oder beim Imprägnieren nach innen abgestützt wird. Das Kernelement 22 ist dabei beispielsweise als aus einem Stahl gebildet und wirkt als Stahlkern. Durch das Kernelement 22 wird ein Medium, insbesondere Luft, geleitet, wobei das Medium auch als Fluid bezeichnet wird. Mittels des Mediums wird das Rohr 14 gekühlt. Aus 7b ist erkennbar, dass das Kernelement 22 wenigstens zwei Kanäle 42 aufweist, durch welche das als Kühlmedium fungierende Medium beziehungsweise der Fluidstrom geleitet wird. Die Strömung des Mediums durch die Kanäle 42 ist in 7b durch Richtungspfeile 48 veranschaulicht. Der Fluidstrom beziehungsweise das Medium soll ein Abkühlen des als Kunststoffkernrohr ausgebildeten Rohrs 14 beschleunigen. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Strömung des Mediums im Kernelement 22 turbulent ist, da so Wärmeenergie besonders effektiv abgeführt werden kann. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass durch das Kernelement 22 das Innere des Rohres 14 in wenigstens zwei aus 7b erkennbare Kanäle 42 unterteilt ist, durch welche das Medium geleitet wird.
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Das vorliegend als Stahlkern ausgebildete Kernelement 22 umfasst Trennscheiben 40 mit unterschiedlichen Aufgaben. 5 zeigt dabei eine mit 40 bezeichnete der Trennscheiben gemäß einer ersten Ausführungsform, wobei die Trennscheibe 40 gemäß 5 eine große Öffnung aufweist. Diese lässt das Medium zumindest nahezu ungehindert durchströmen. Dabei hat es die Aufgabe, direkt nach dem Extrusionsprozess oder beim Flechtprozess die Maßhaltigkeit des Preformlings zu gewährleisten. 6a und 6b zeigen die Trennscheibe 40 gemäß einer zweiten Ausführungsform, welche die Reibung zwischen dem als Stahlkern ausgebildeten Kernelement 22 und dem aus Kunststoff ausgebildeten Rohr 14 verringern soll. Durch kleine Kanäle 44 am Umfang wird das strömende Medium beziehungsweise Fluid geleitet. Dadurch hebt das Medium das Rohr 14 an, sodass es zu keiner Berührung kommt. Zur Bildung der Kanäle 42 und/oder 44 umfasst das Kernelement 22 beispielsweise ein Stahlkernstangengerüst, welches das Medium kanalartig in das Innere des Rohrs 14 und wieder heraus zu einem Temperiergerät 24 (3) führt. Da das Kernelement 22 durch die unterschiedlichen Trennscheiben 40 einen komplexen Aufbau hat, wird das Kernelement 22 beispielsweise mittels eines 3-D-Druck-Prozesses wie beispielsweise SLS, SLM, EBM, Lasercasing hergestellt. Das Temperiergerät 24 dient der Temperierung, das heißt Kühlung und/oder Erwärmung des Mediums im Inneren des Rohrs 14.
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Die Trennscheibe 40 gemäß 6a und 6b weist einen nur kleinen Durchlass mit diagonalen Kanälen 41 auf. Es bildet sich somit ein dünner Luftfilm zwischen dem als Kernschlauch wirkenden Rohr 14 und dem als Stahlkern ausgebildeten Kernelement 22, wobei dieser Luftfilm die Reibung verringert.
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Ferner zeigen 7a und 7b eine Endkappe 46 zum Abdichten an der letzten der Trennscheiben 40. Die Endkappe 46 wird auch als Endstopfen bezeichnet, der am Ende des Kernelements 22 abdichten soll, sodass kein Druck entweichen kann. Die beiden beispielsweise als Kammern ausgebildeten Kanäle 42 sind vor der Trennscheibe 40 beispielsweise fluidisch miteinander verbunden, um das Medium wieder zurückzuführen.
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Ferner wird das Medium mit einem Druck durch das Kernelement 22 und somit das Rohr 14 geleitet. Dieser Druck ist somit für das Rohr 14 ein Innendruck, mit welchem das Rohr 14 innenseitig beziehungsweise von innen beaufschlagt wird. Dieser Innendruck wirkt als Stützdruck, mittels welchem das Rohr 14 gegen einen beim Flechten auftretenden Flechtdruck abgestützt und somit vor Kollabieren geschützt wird. Dieser Flechtdruck ist in 4 durch Richtungspfeile 54 veranschaulicht. Ferner dient der als Stützdruck fungierende Innendruck der Reibungsreduzierung und der Gewährleistung eines Formdimensionen-Schlauchs. Das Ende des Kernelements 22 und somit auch des Innendrucks endet vorzugsweise hinter dem als in-situ-Pultrusionswerkzeug ausgebildeten Pultrusionswerkzeug 20.
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4 zeigt auch eine Flechtvorrichtung 50, mittels welcher die Rovings 52 in einem Flechtbereich 36 auf das Rohr 14 geflochten werden. Mittels der Kernrohrextrusionsvorrichtung 16 wird das Rohr 14 in einem Kernrohrextrusionsbereich 38 extrudiert, wobei die Kernrohrextrusionsvorrichtung 16 wenigstens eine Kühlfluidleitung zum Leiten des Mediums im inneren des Rohrs 14 aufweist.
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Nachdem der Preformling geflochten wurde, das heißt nachdem die Rovings 52 auf das Rohr 14 geflochten wurden, wird der Preformling, das heißt das Rohr 14 und die auf das Rohr 14 geflochtenen Rovings 52 in das als radial geschlossenes Werkzeug ausgebildete Pultrusionswerkzeug 20 stirnseitig eingeführt. 9 und 10 zeigen eine Pultrusionslinie der in-situ-Flechtpultrusionsanlage, insbesondere des Pultrusionswerkzeugs 20. Das Pultrusionswerkzeug 20 umfasst dabei eine Kühlstrecke 26, auf welcher die imprägnierten Rovings 52 gekühlt werden können beziehungsweise abkühlen können. Vorzugsweise ist entlang der Kühlstrecke 26 eine freie Konvektion vorgesehen, um das Rohr 14 und die imprägnierten beziehungsweise konsultierten Rovings 52 effektiv abzukühlen. Ferner umfasst das Pultrusionswerkzeug eine Zwei-Komponenten-Injektionsanlage und Werkzeug 27. An die Kühlstrecke 26 schließt sich ein Bandabzug 28 an, welcher eine Trenneinheit beziehungsweise Trenneinrichtung umfasst. Der Bandabzug 28 wird auch als Puller bezeichnet, wobei die Trenneinrichtung eine Ablängeinrichtung ist, um die zunächst als Endlosmaterial ausgebildeten Rovings 52 und das Rohr 14 abzulängen. Die Zwei-Komponenten-Injektionsanlage und Werkzeug 27 umfasst ein erstes Behältnis 62, in welchem eine erste Komponente aufgenommen ist, sowie ein zweites Behältnis 64, in dem eine von der ersten Komponente unterschiedliche, zweite Komponente aufgenommen ist. Ferner ist ein Mischer 66 vorgesehen, mittels welchem die zwei Komponenten beispielsweise zu dem Monomer-Gemisch gemischt werden.
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Aus 9 ist ferner erkennbar, dass eine Faserführung- und Vorformstation 68 vorgesehen ist, mittels welcher die Rovings 52, welche von dem Spulengatter 18 abgewickelt werden, geführt werden, wobei die Rovings 52 über die Faserführung- und Vorformstation 68 dem Pultrusionswerkzeug 20 zugeführt werden.
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Das Monomer-Gemisch wird der Einfachheit wegen auch als Gemisch bezeichnet. Dabei weist die Pultrusionsanlage 20 einen Injektionsbereich 30 auf, in welchem die Rovings 52 mit dem Gemisch imprägniert werden. Das Gemisch umfasst beispielsweise Monomere, Katalysatoren, Aktivatoren und andere Hilfsstoffe, wobei dieses Gemisch unter definiertem Druck und durch wenigstens eine Gemisch-Werkzeugs-Führungs-Kontur vibrierend kontinuierlich injiziert wird. Dieses Injizieren ist in 11 durch einen Richtungspfeil 58 veranschaulicht. Durch die niedrige Viskosität des Gemisches werden die zunächst trockenen Rovings 52 vollständig imprägniert. Durch die vom Pultrusionswerkzeug 20 in den Preformling beziehungsweise die Rovings 52 eingebrachte Wärmeenergie und/oder durch Katalysatoren wird die Polymerisation des Monomers beziehungsweise der Monomere initiiert. Eine besonders vorteilhafte Injektion wird erreicht, in dem der Injektionsbereich 30 vibriert.
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Die Vibration des Injektionsbereichs 30 und/oder eines Fasereinzugsbereichs der Pultrusionsanlage 20 ist in 11 durch einen Doppelpfeil 60 veranschaulicht. Der Injektionsbereich 30 und/oder Fasereinzugsbereichs ist dabei als Zwei-Komponenten-Injektionsbereich ausgebildet, in welchem die Rovings 52 mit den zwei genannten Komponenten imprägniert und verdichtet werden. Dabei weist der Injektionsbereich 30 einen Freistich 31 auf, über welchen die Vibration beziehungsweise die Schwingungen des Injektionsbereichs 30 beziehungsweise des Fasereinzugsbereichs einstellbar ist. Insbesondere erfolgt das Vibrieren des Injektionsbereichs 30 beziehungsweise des Fasereinzugsbereichs mittels Ultraschallvibrierens.
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Aus 3 ist erkennbar, dass sich an den Injektionsbereich 30 ein Heizbereich 32 anschließt, welcher auch als Wärmezone bezeichnet wird. In dem Heizbereich 32 werden die imprägnierten Rovings 52 und das Rohr 14 beheizt. Die Länge der Wärmezone ist – in Abhängigkeit von der Abzugsgeschwindigkeit – so zu bemessen, dass das Gemisch eine vollständige Polymerisation erfahren hat, wenn es einen sich an den Heizbereich 32 anschließenden Kühlbereich 34 erreicht. Der Kühlbereich 34 wird auch als Kühlzone oder Abkühlzone bezeichnet. Durch die Polymerisation ist das Gemisch von einem Monomer zu einem Matrixwerkstoff vorzugsweise in Form eines thermoplastischen Werkstoffs polymerisiert.
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Eine Abzugskraft, mittels welcher das Rohr 14 und die auf das Rohr 14 geflochtenen Rovings 52 in das Pultrusionswerkzeug 20 gezogen werden, ist in 10 anhand eines Richtungspfeils 70 veranschaulicht. Durch die kontinuierliche Abzugsgeschwindigkeit werden die mit Thermoplastwerkstoff imprägnierten und Faserbündel darstellenden Rovings 52 in die auch als Abkühlstrecke bezeichnete Abkühlzone gezogen. Hier ändert sich der Zustand von zäh-viskos in fest. Anschließend kann das nun einsatzfähige Profil einen Abzug durchlaufen und abgelängt werden. Dieses nun thermoplastische Profil in Form des hergestellten FVK-Profils ist in unterschiedlichen Wandstärken, außen-, innen- und Profilgeometrien herstellbar. Ebenso sind partielle radiale Aufdickungen und/oder Rippen in Ziehrichtung – anders als im metallischen Rohrziehverfahren – möglich. Radiale Aufweitungen und Querschnittsveränderungen bei ähnlichem Umfang sind nun in einem nachgeschalteten Innenhochdruckumformverfahren möglich. Hier sind jedoch aufgrund der Thermoplastizität des Rohres 14 viel geringere Innendrücke zum Einstellen einer bleibenden plastischen Verformung als bei metallischen Werkstoffen erforderlich. Das als thermoplastisches Rohr ausgebildete FVK-Hohlprofil (Faserverbundkunststoff-Hohlprofil 10) kann als Substrat dienen, auf welches in einem Spritzgussprozess, insbesondere stoffschlüssig, Konturkörper aufgespritzt werden. Wenn die Schmelz- beziehungsweise Erweichungstemperatur der aufgespritzten Komponente an die Matrixtype des Rohres 14 angepasst (zum Beispiel PPA auf PA), so ist – bei günstig gewählten Prozessparametern – eine gute kovalente Haftung ohne zusätzliche chemische Haftvermittler oder physikalische Vorbehandlung von Oberflächen möglich.
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Das direkt integrierte und extrudierte sowie als Kunststoffkernrohr ausgebildete Rohr 14 ist Bestandteil des fertigen Bauteils in Form des FVK-Hohlprofils, wobei die Endlosfasern in Form der Rovings 52 auf das Rohr 14 aufgebracht werden. Um besonders geringe Wandstärken des Rohrs 14 zu realisieren, das heißt um das Rohr 14 besonders dünn auszuführen, wird der Stützdruck eingesetzt, welcher gegenüber der Umgebung des Rohrs 14 ein Überdruck ist. Dieser Überdruck wirkt als Stützdruck dem Flechtdruck entgegen. Zur Realisierung der Abstützung des Rohrs 14 mittels des Stützdrucks befindet sich das Kernelement 22 innerhalb des Rohrs 14. Das Kernelement 22 hat dabei mehrere Aufgaben. Zum einen führt das Kernelement 22 das Rohr 14 von innen, sodass eine Durchbiegung des Rohrs 14 minimiert wird. Zum anderen ist eine Aufgabe des als Stahlkern ausgebildeten Kernelements 22, das Medium in Form eines Fluidstroms durch das Rohr 14 zu leiten. Der Fluidstrom soll das zuvor extrudierte Rohr 14 schnellstmöglich abkühlen und die Reibung zum Kernelement 22 verringern. Mittels der unterschiedlichen Trennscheiben 40 wird das Medium durch das Rohr 14 geleitet. Das Medium soll das Rohr 14 zur Reibungsminderung vom Kernelement 22 trennen.
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Bei der Hybrid-Pultrusion werden in einem Roving Glasfasern und Fasern aus Thermoplastwerkstoff – hier vor allem aus Polyamid (PA, PPA, Polyimid, PP) – zusammengefasst und durch ein temperiertes Ziehwerkzeug in Form eines Pultrusionswerkzeugs geführt. In diesem Pultrusionswerkzeug schmelzen die thermoplastischen Fasern in der beheizten Werkzeugzone auf, benetzen die benachbarten Glasfasern und erzeugen so – nach der Abkühlung in der darauf folgenden Kühlzone des Werkzeugs – einen Faserverbund. Die thermoplastischen Fasern sind industriell verfügbar. Jedoch ist ein zusätzlicher und somit kostenintensiver Faserspinnprozess aus dem Ausgangs-Thermoplastwerkstoff notwendig. Ein weiterer Nachteil liegt in der hohen Schmelzviskosität des Thermoplastgarns. Somit ist bei hohem Glasgehalt die vollständige Faserbenetzung durch den aufgeschmolzenen Thermoplast mit nur hoher Viskosität eine Herausforderung. Diese Herausforderung sowie die Nachteile der Hybrid-Pultrusion können mittels des anhand von 1 bis 11 geschilderten Verfahrens vermieden werden.
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Die in-situ Herstellung von einschlägigen Bauteilen durch getaktete Injektion von Monomeren in ein geschlossenes Werkzeug und anschließender in-situ-Polymerisation zu einem Thermoplast hat ihre Prinziptauglichkeit insbesondere im Rahmen des T-TRM-Prozesses gezeigt. Hier wird die im Werkzeug befindliche textile Verstärkungsstruktur durch die niedrige Viskosität der Monomere hervorragend durchflossen und benetzt. Durch die durch Katalysatoren und Aktivatoren initiierte Polymerisation härtet beziehungsweise polymerisiert der Verbund im geschlossenen Werkzeug aus und kann nach der Abkühlung aus der Form entnommen werden.
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2 zeigt eine schematische Querschnittsansicht durch die in 1 gezeigte Crashbox, insbesondere durch das Faserverbundkunststoff-Hohlprofil 10 (FVK-Hohlprofil). Aus 2 ist erkennbar, dass auf einer außenumfangsseitigen Mantelfläche des FVK-Hohlprofils Bandagen 13 aufgebracht sind, welche auch als Tapes bezeichnet werden. Mit anderen Worten ist das als in-situ-FVK-Rohr ausgebildete FVK-Hohlprofil lokal bandagiert, das heißt getaped, insbesondere durch ein Tape-Lege-Verfahren. Mittels der Bandagen 13 kann das FVK-Hohlprofil lokal ausgesteift werden, um eine hohe Knicksteifigkeit des FVK-Profils zu erzeugen. Vorzugsweise wird das FVK-Hohlprofil mit den Bandagen 13 beziehungsweise den Tapes versehen, das heißt bandagiert beziehungsweise getaped, bevor das FVK-Hohlprofil mit dem Kunststoff 12 versehen wird. Dadurch können die Bandagen 13 im Kunststoff 12 eingebettet werden beziehungsweise zwischen dem FVK-Hohlprofil und dem Kunststoff 12 angeordnet werden.
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Durch Herstellung eines Endlosprofils per in-situ-Polymerisation könnten als Einsatzstoffe das Matrixsystem der Ursprungsstoff zur Herstellung von polymeren Thermoplasten – das entsprechende Monomer – eingesetzt werden. Somit wird der Wertschöpfungsprozess der Polymerisation bei der FVK-Rohr-Herstellung, das heißt bei der Herstellung des Faserverbundkunststoff-Hohlprofils 10 eingespart. Dies spiegelt sich in sehr geringen Material-Eingangskosten wider. Durch die sehr niedrige Viskosität des Monomers beziehungsweise Monomer-Gemisches und der vibrierenden Einlauf-Werkzeugführung, das heißt des vibrierenden Injektionsbereichs 30, wird die Benetzung der Fasern beziehungsweise Rovings 52 maßgeblich erleichtert und die Abzugskräfte erheblich reduziert. Somit steigt die Verbundfestigkeit im statischen und dynamischen Betrieb.
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Ferner ist es möglich, einen wettbewerbsfähigen Leichtbau zu betreiben, da das Rohr 14 als sehr dünnes beziehungsweise dünnwandiges Kernrohr ausgebildet ist, welches im fertig hergestellten Bauteil, das heißt im fertig hergestellten Faserverbundkunststoff-Hohlprofil 10 verbleibt. Im Vergleich zum Einsatz von metallischen Profilen sind für eine radiale oder auch eine axiale Umformung – aufgrund des thermoplastischen Werkstoffverhaltens – deutlich geringere Umformungskräfte notwendig. Somit kann im Umformprozess die Energieeffizienz gesteigert werden. Bei einem Montagespritzgussprozess von Thermoplastwerkstoffen, welche dem Matrixwerkstoff des Substrates – also des Profils – entsprechen, ist kein zusätzlicher chemischer Haftvermittler oder eine physikalische Vorbehandlung notwendig. Somit werden Arbeitsschritte eingespart und auch Fehlerquellen vermieden. Der Prozess wird somit kostengünstiger und prozesssicherer.
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Insbesondere kann mittels des Verfahrens das zuvor beschriebene Energieabsorptionselement als integrierte Crashbox mit wenigstens einer Z-Strebe als dritte obere Lastpfadebene in FVK-Polymer-IHU-Verbundbauweise hergestellt werden (IHU – innenhochdruckumgeformt). Die Z-Strebe ist beispielsweise durch den Kunststoff 12 gebildet und verläuft in Einbaulage des Energieabsorptionselements (Crashbox) zumindest im Wesentlichen in Fahrzeughochrichtung (z-Richtung).
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011018420 A1 [0002, 0002]
